帶混合器支架的塑料管材擠出機(jī)頭設(shè)計(jì)

張友新，馮金茂

（浙江偉星新型建材股份有限公司，浙江 臨海 317000）

0 引 言

在管材擠出生產(chǎn)線中，無論是生產(chǎn)PVC管材還是PE管材，機(jī)頭對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用，使擠出的熔料均勻地通過整個(gè)機(jī)頭斷面。管材機(jī)頭與擠出產(chǎn)品規(guī)格要求相適應(yīng)，對(duì)整條生產(chǎn)線的工作效率與經(jīng)濟(jì)性具有決定性的作用，機(jī)頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響管材的力學(xué)性能。目前，常用的擠出管材機(jī)頭為直通式機(jī)頭，其模具結(jié)構(gòu)比較簡單，制造容易，成本較低，熔料擠出方向與擠出機(jī)螺桿軸線一致，熔料在機(jī)頭中流動(dòng)阻力較小，管材、機(jī)頭與機(jī)筒三者同軸，管材擠出成型容易[1]。但是，該機(jī)頭的分流器支架設(shè)有分流筋，熔料通過分流筋時(shí)被強(qiáng)行分流，導(dǎo)致擠出的管材內(nèi)部出現(xiàn)熔接痕。熔接痕是管材強(qiáng)度與力學(xué)性能最薄弱的部位，不僅影響塑料管材的表面質(zhì)量，而且使此處性能遠(yuǎn)低于其他部位，影響了管材的綜合物理性能。同時(shí)，該機(jī)頭為實(shí)體結(jié)構(gòu)，比較笨重，拆裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且加熱和冷卻時(shí)間較長。為了解決這些問題，在直通式機(jī)頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了帶有菱形螺旋條組成的鏤空式混合器和圓形流道的網(wǎng)格支架板集成的混合器支架，消除了熔接痕，提高了管材的綜合物理性能，避免了管道因熔接痕造成的強(qiáng)度低、報(bào)廢率高等現(xiàn)象。同時(shí)，為了減輕模具質(zhì)量，縮短機(jī)頭的加熱和冷卻時(shí)間，將分流器和芯棒連接套設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，使其拆裝更方便。

1 機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

帶混合器支架的擠出機(jī)頭如圖1所示，該機(jī)頭適合PE管、PP管及PVC管材的加工生產(chǎn)，在相同規(guī)格和材料的情況下，經(jīng)帶混合器支架擠出機(jī)頭生產(chǎn)的PE63管材直徑為φ63 mm、壁厚為2.3 mm。對(duì)該管材進(jìn)行性能測(cè)試，按要求連接好管材打壓夾具、水箱的快速接頭和管路，同時(shí)，將上夾具密封接頭的排氣孔打開，給管材充滿水，然后將管材及夾具放入恒溫箱，水溫控制在（20±1）℃，進(jìn)行靜壓直至試驗(yàn)結(jié)束。通過試驗(yàn)，管材靜壓環(huán)向應(yīng)力為8.6 MPa，不破裂、不滲漏，斷裂伸長率為370%，縱向回縮率（110℃）為2.3%，力學(xué)性能高于GB/T 13663-200標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 帶混合器支架的擠出機(jī)頭

為了消除因支架分流筋產(chǎn)生的熔接痕和減輕模具質(zhì)量，設(shè)計(jì)了混合器和網(wǎng)格支架板集成的混合器支架，使熔料通過機(jī)頭內(nèi)流道時(shí)，經(jīng)多個(gè)交錯(cuò)菱形螺旋條的鏤空式混合器剪切、混合、緩沖，使料流混合均勻，消除了熔接痕。帶混合器支架的擠出機(jī)頭主要由中空分流器、網(wǎng)格支架板、菱形螺旋條、混合器支架、中空芯棒連接套等組成。

1.1 中空分流器設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的分流器大多都是實(shí)體結(jié)構(gòu)（見圖2），也有分流器與支架板設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，但都比較笨重，拆裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且加熱和冷卻時(shí)間較長。為了節(jié)省能源和拆裝操作時(shí)間、減輕分流器的質(zhì)量，將分流器設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，如圖4所示。設(shè)計(jì)分流器時(shí)有3個(gè)主要尺寸：擴(kuò)張角α、分流錐長度L及分流器頂部圓角R，設(shè)計(jì)應(yīng)該注意以下3點(diǎn)。

圖2 實(shí)體分流器結(jié)構(gòu)

圖3 分流器與支架板為一體結(jié)構(gòu)

（1）分流器擴(kuò)張角α的選取與塑料黏度有關(guān)。黏度較低，熔體流動(dòng)阻力較小，α通常取30°～60°；黏度較高，熔體流動(dòng)阻力大，α通常取30°～45°[2]。

（2）分流錐長度L按下式計(jì)算：

式中：L——分流錐長度，mm；D0——過濾板出口處直徑，mm。

（3）分流器頂部圓角R一般取0.5～2.0 mm。

1.2 網(wǎng)格支架板設(shè)計(jì)

現(xiàn)使用的支架板上設(shè)計(jì)有多個(gè)分流筋，一般大型機(jī)頭將支架板單獨(dú)設(shè)置，可多設(shè)置分流筋，而小型機(jī)頭將支架板與芯棒設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)，分流筋相對(duì)少[3]。由于支架板設(shè)置了分流筋，使熔料通過分流筋時(shí)被強(qiáng)行切開分流，導(dǎo)致擠出的成品管材內(nèi)出現(xiàn)熔接痕。為了消除分流筋產(chǎn)生的熔接痕，將支架板設(shè)計(jì)為圓形的網(wǎng)格支架板，如圖5所示，均勻設(shè)置了多個(gè)貫通的網(wǎng)孔，一般為φ5～φ8 mm的流道通孔，大型機(jī)頭支架板可以設(shè)置較多的流道通孔。

圖5 網(wǎng)格支架板

為了料流順暢地從網(wǎng)孔通過，在支架板的進(jìn)料端面設(shè)計(jì)一定深度的錐形孔（喇叭孔），即在圓形通孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行過渡再擴(kuò)徑。同時(shí)，在混合器支架上設(shè)置焊接通孔和網(wǎng)孔流道，焊接通孔位于網(wǎng)孔流道外圈，每個(gè)焊接通孔內(nèi)焊有菱形螺旋條。菱形螺旋條數(shù)量以機(jī)頭尺寸進(jìn)行合理選擇，一般設(shè)置4～12條，以方便菱形螺旋條插入通孔進(jìn)行焊接。菱形螺旋條的插入通孔直徑應(yīng)大于網(wǎng)格支架板的流道通孔，以使焊接的菱形螺旋條具有足夠的強(qiáng)度。在熔料擠出過程中，熔料通過圓形流道的網(wǎng)格支架板可有效消除熔接痕。網(wǎng)格支架板應(yīng)設(shè)計(jì)較厚，由于機(jī)頭內(nèi)擠出的熔料壓力較大，如果網(wǎng)格支架板強(qiáng)度不足，容易發(fā)生損壞。同時(shí)，加工進(jìn)料端面不應(yīng)有料流阻力死角，孔的表面應(yīng)盡量光滑，以保證料流通暢。

1.3 菱形螺旋條設(shè)計(jì)

菱形螺旋條是混合消除熔接痕的關(guān)鍵部件，通過高溫加熱將菱形條扭曲為不同曲面形態(tài)的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，使每條的菱角不在同一個(gè)平面上，形成復(fù)雜的曲面形態(tài)，熔料通過時(shí)更容易被剪切混合，消除熔接痕。其制作方法：將菱形條截取適當(dāng)?shù)拈L度，放入高溫爐加熱后取出，一端固定，另一端采用夾持工具按中空芯棒連接套的外形結(jié)構(gòu)（見圖1零件7），對(duì)菱形條進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)扭曲，預(yù)制成型多曲面的菱形螺旋條。然后將預(yù)制成型的菱形螺旋條插入4個(gè)以上呈中心對(duì)稱分布的焊接通孔的網(wǎng)格支架板，精調(diào)布置，使螺旋條整體呈鏤空式網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)包裹在中空芯棒外。同時(shí)，在2條菱形螺旋條相互交錯(cuò)搭接點(diǎn)上也要進(jìn)行焊接固定，以增強(qiáng)鏤空網(wǎng)格的整體強(qiáng)度。另外，菱形螺旋條要有足夠的強(qiáng)度，防止在擠出成型過程中，熔料通過菱形螺旋條時(shí)產(chǎn)生擠壓變形。

圖6 菱形螺旋條

1.4 混合器支架設(shè)計(jì)

網(wǎng)格支架板與菱形螺旋條通過焊接構(gòu)成了鏤空式混合器支架，如圖7所示?；旌掀髦Ъ転閳A形結(jié)構(gòu)，支架板中心設(shè)置有通孔，中心通孔由中空分流器與中空芯棒通過螺紋將網(wǎng)格支架板連接固定?；旌掀饔卸鄺l預(yù)制不同曲面形態(tài)的菱形螺旋條，圍繞中空芯棒連接套和機(jī)頭體形成相互交錯(cuò)的通道，擠出成型過程中，熔料通過中空分流器穿過網(wǎng)格支架板的圓孔進(jìn)入鏤空式混合器，打亂通過的熔料流向，減少熔接痕的產(chǎn)生。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高熔料的混合均勻性、徹底消除熔接痕，使熔料通過混合器，以不同的方向剪切、混合、緩沖，擠出的管材表面更光滑。

圖7 混合器支架

1.5 中空芯棒連接套設(shè)計(jì)

如圖8所示，傳統(tǒng)塑料管材擠出機(jī)頭一般使用實(shí)體芯棒，生產(chǎn)不同規(guī)格管材制品時(shí)只需更換一套口模和芯棒，這種機(jī)頭塑化均勻，制品質(zhì)量好[4]，但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較笨重，更換過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且加熱和冷卻時(shí)間較長。為了減輕模具質(zhì)量，節(jié)省能源和拆裝操作時(shí)間，將芯棒設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為了連接方便，將中空芯棒的一端設(shè)計(jì)內(nèi)螺紋，嵌套在分流器一端連接的外螺紋上，另一端中空芯棒的內(nèi)螺紋與芯棒的外螺紋連接，這樣使中空芯棒的連接和拆卸更為方便。

圖8 中空芯棒連接套

2 工作原理

塑料加入擠出機(jī)經(jīng)加熱塑化后，通過機(jī)頭設(shè)置的過濾板進(jìn)入分流器，分流器使熔料逐漸變薄進(jìn)一步塑化[4]，然后進(jìn)入網(wǎng)格支架板的徑向排列流道，在擠壓作用下被分成多股料流，擠出后的多股料流相互融合。由于網(wǎng)格支架板設(shè)置了網(wǎng)孔流道，增加了熔料的過流面積，使合流線被多股熔料熔合塑化，消除熔接痕，緊接著融合后的熔料進(jìn)入混合器。多個(gè)菱形螺旋條被扭曲加工成交錯(cuò)形態(tài)的鏤空式混合器，菱形螺旋條設(shè)計(jì)成上下互為反螺旋，形成復(fù)雜的菱形曲面形態(tài)，使通過的熔料被打亂流向，并且混合器包含了剪切、混合、松弛緩沖區(qū)，使通過的熔料混合更均勻，消除了熔接痕，擠出的管材更穩(wěn)定，表面更光滑。

3 結(jié)束語

配置鏤空式混合器和網(wǎng)格支架板集成的混合器支架的塑料管材擠出機(jī)頭與傳統(tǒng)的擠出機(jī)頭相比，混合器支架對(duì)熔料可起到剪切、混合、緩沖作用，消除了熔接痕，提高了管材的綜合物理性能。

為了減輕模具質(zhì)量，縮短機(jī)頭的加熱和冷卻時(shí)間，該機(jī)頭將分流器和芯棒設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)。該機(jī)頭適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不同材料在生產(chǎn)過程中塑化均勻，出料穩(wěn)定，表面光滑，擠出的管材管徑及壁厚尺寸穩(wěn)定，同時(shí)機(jī)頭的裝拆和操作簡便。